Cellules solaires photovoltaïques plastiques nanostructurées

Nonostructured plastic photovoltaic solar cells

• Auteur / Autrice : Hassina Derbal
• Direction : Jean-Michel Nunzi, Thien-Phap Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Angers
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des propriétés optiques des matériaux et applications (Université d'Angers)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotubes

Fullerènes

Polymères

Effet photovoltaïque

Photopiles

Résumé

L'effet photovoltaïque est une des voies qui s'est significativement développée au cours des dernières années afin de trouver une alternative à la production d'énergies non-renouvelables. Afin de diminuer le coût de fabrication de ces dispositifs photovoltaïques, une solution consiste à remplacer le silicium par des matériaux organiques. Les cellules solaires organiques sont une technologie en pleine émergence qui ambitionne la fourniture de cellules solaires plus flexibles dans tous les sens du terme : mécanique, fabrication, propriétés électro-optiques. Un défi auquel la recherche est confrontée aujourd'hui est l'obtention de matériaux organiques stables et solubles qui absorbent aux longueurs d'ondes du proche infrarouge. Ce travail de thèse réalisé dans l'Équipe de Recherche Technologique CSPVP de l'Université d'Angers a pour objectif de relever le défi. La première partie de notre travail est consacrée à l'utilisation de nouveaux dérivés de fullerènes. Afin d'améliorer l'absorption du fullerène C60 ou/et de chercher de possibles alternatives au PCBM, des nouveaux composés ont été synthétisés. Ces nouveaux dérivés peuvent être répartis en: dyades C60-PDI(R=OPhtBu, Cl), cyclopropano[60]fullerènes et cyclopropano[70]fullerènes de type Bingel porteurs de deux groupes esters C60(ou 70)>(CO2R1)(CO2R2), et l'adduit-1,4 C60(CH2CO2tC4H9)2. Ces dérivés de fullerènes ont été incorporés dans les couches photo-actives des cellules solaires à base du polymère conjugué poly(3-hexylthiophène) (P3HT), en tant que matériau de type accepteur. Tous ont été utilisés en cellules solaires pour lesquelles nous avons cherché à préciser la relation entre structure moléculaire et performances photovoltaïques via la morphologie de la couche active. Des études supplémentaires ont été effectuées afin de corroborer les résultats photovoltaïques (PV) avec les propriétés physico-chimiques des matériaux. La deuxième partie est consacrée à des études physico-chimiques réalisées sur des différents nanotubes de carbones mono-feuillets (SWCNT) fonctionnalisés par des groupements esters. Ces nanotubes fonctionnalisés présentent une meilleure dispersion dans les solvants organiques. Ils ont été étudiés et comparés à différentes concentrations dans des cellules solaires à base de P3HT :PCBM. Des travaux complémentaires ont été effectués sur des dérivés de poly(phénylène vinylène) (PPV) et des dérivés de polythiophène, et des cellules élaborées à partir de dérivés de carbazole attaché sur le noyau de C60 et déposés sur des substrats ITO/PEDOT :PSS par électropolymérisation. En conclusion, nous passons en revue les paramètres qui contribuent directement aux performances photovoltaïques des cellules étudiées.

The photovoltaic effect is one of the options which significantly developed during the last years in order to find an alternative to non-renewable energy production. In order to reduce the manufacturing costs of photovoltaic devices, a solution consists in replacing silicon by organic materials. The organic solar cells are an emerging technology which ambitions the supply of more flexible solar cells in all the meanings of the term: mechanics, manufacture, electrooptic properties. A challenge with which research is confronted today is obtaining stable and soluble organic materials which absorb at near-infrared wavelengths. This PhD work which was carried in the Technological Research Team CSPVP of the University of Angers aims at taking up the challenge. The first part of our work is devoted to the use of new fullerene derivatives. In order to improve absorption of the fullerene C60 and/or to seek for possible alternatives to the PCBM, new compounds were synthesized. The new derivatives can be divided into: C60-PDI dyads (R=OPhtBu, Cl), cyclopropano [60] fullerenes and cyclopropano [70] fullerenes. These fullerene derivatives were incorporated in the photo-active layers of solar cells containing poly (3-hexylthiophene) (P3HT) polymer. All were used in solar cells for which we could specify the relation between the molecular structure and the photovoltaic performances via the morphology of the active layer. Additional studies were carried out in order to corroborate the photovoltaic results with the physicochemical properties of the materials. The second part is devoted to physicochemical studies carried out on different carbon nanotubes mono-layers (SWCNT) functionalized by ester group. These functionalized nanotubes offer a better dispersion in organic solvents. They were studied and compared at various concentrations in solar cells containing P3HT: PCBM. Complementary work was carried out on derivatives of poly (phenylene vinylene), polythiophene, and carbazol attached to the C60 core which were deposited on ITO/PEDOT: PSS substrates by electropolymerisation. Conclusion is a review the parameters which contribute directly to the photovoltaic performances of the studied cells.